Funktionalitätenverteilung und Produktbereiche für die Prozesssynthese integrierter reaktiver Trennverfahren

Autor(en): Tylko, Markus TU Dortmund, 14. Oktober 2008 Seiten: 284 Auflage: 1 Aufl. Sprache: DE ISBN-10: 3867277397 ISBN-13: 9783867277396 Zugeordnete Fachbereiche: Biochemie Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 40,00 € 34,00 € In den Warenkorb eBook (4222.0 kB) 40,00 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Durch Integration einer chemischen Umsetzung in eine verfahrenstechnische Grundoperation können Synergieeffekte entstehen, die den benötigten apparativen und betrieblichen Aufwand eines Produktionsverfahrens signifikant reduzieren. Die Realisierung derartiger Integrationen wird häufig durch das unzureichend tiefe Prozessverständnis, gerade in Bezug auf spezielle räumliche Anordnungen der funktionellen Einheiten, gehemmt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer vom betrachteten Phasensystem unabhängigen systematischen Prozesssynthesestrategie für integrierte reaktive Trenn¬verfahren. Die integrierte Einheit wird dabei als mehrphasiger Prozess mit mindestens einer reaktiven Phase und einer Transportphase verstanden. Der spezielle Fokus liegt auf der räumlichen Verteilung der vier Basisfunktionalitäten Reaktion, Trennung, Reaktivtrennung und Mischung sowie auf der Behandlung thermodynamischer Nichtidealitäten. Hierzu wurden neben umfangreichen Literaturstudien drei sich stark unterscheidende integrierte reaktive Trennverfahren untersucht.
Die simulationsbasierten Studien zu Lage und Interpretation von Produktbereichen der reaktiven Extraktion dienten in erster Linie dazu, die Datenbasis auf diesem Gebiet zu erweitern und in Form heuristischer Regeln für die Prozesssynthese nutzbar zu machen.
Die beiden anderen integrierten reaktiven Trennverfahren, die lineare reaktive Chromatographie und die reaktive Rektifikation, wurden mittels rigoroser Simulation und Optimierung untersucht und miteinander verglichen. Dabei ließen sich die wesentlichen Unterschiede beider Verfahren darauf zurückführen, dass bei der reaktiven Chromatographie beide Phasen unabhängig vom reaktiven Stoffsystem sind, bei der reaktiven Rektifikation hingegen genau aus diesem Stoffsystem gebildet werden. Dieses Wissen gekoppelt mit den erarbeiteten Gemeinsamkeiten beider Prozesse bezüglich Parameterabhängigkeit und räumlicher Funktionalitätenverteilung ermöglichten die Entwicklung einer generischen Prozesssynthesestrategie für integrierte reaktive Trennverfahren. Diese Strategie betrachtet zunächst allein die reaktive Phase, danach die gesamte integrierte Einheit und deren Produktbereiche. Schließlich werden Empfehlungen zur räumlichen Verteilung von Funktionalitäten gegeben, welche für weitere Parameteroptimierung genutzt werden können.
Die Allgemeingültigkeit der entwickelten Prozesssynthesestrategie wurde an drei realen Beispielen demonstriert und durch die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Integrierte Reaktions- und Trennoperationen“ im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund experimentell bestätigt.

Description

The integration of a chemical reaction into a separation unit operation may lead to synergetic effects which help to reduce both equipment and operation expenses of a production process. The implementation of such integrations is often inhibited by an insufficient process understanding especially regarding functional process design.
The objective of the present thesis was to develop a generic process synthesis strategy for integrated reaction and separation processes which is independent from the particular phase system. The integrated unit is regarded as a multiphase process consisting of at least one reaction phase and one transport phase. The special focus is set on the spatial distribution of four basic functionalities, namely reaction, separation, reactive separation and mixing. In addition thermodynamic non-idealities were considered. Besides extensive literature studies, three different integrated reactive separation processes were investigated.
Simulation based studies concerning location and interpretation of product areas of reactive extraction processes were primarily carried out to extend the existing data base. The results were summarized in heuristic rules in order to become more useful for process synthesis.
The other two reactive separation processes, the linear reactive chromatography and the reactive distillation, were investigated and compared to each other by using rigorous simulation and optimization tools. These examinations showed that the major differences of both process types can be attributed to the fact that the phase system in reactive chromatographic processes is not depending on the reaction component system. On the other hand the phase system of reactive distillation processes is formed exactly from this component system. Besides these differences also common parametric sensitivities and functionality distributions were elaborated. Based on this information a generic process synthesis strategy for integrated reaction and separation processes could be developed. At first this strategy regards the reaction phase, afterwards the integrated unit and its product areas are examined. Finally, suggestions concerning the distribution of functionalities are given which can later be used for optimization studies.
The generic applicability of the process synthesis strategy developed was demonstrated experimentally on three real-life systems. This was accomplished in cooperation with the research group “Integrierte Reaktions- und Trennoperationen” at the Department of Bio- and Chemical Engineering at the University of Dortmund, sponsored by the Deutsche Forschungsgemeinschaft.